(57)【要約】【課題】  ダイヤモンド膜と基材との界面に沿って生じる亀裂の進展を効果的に防止し、ダイヤモンド膜の剥離が発生する場合でもその領域を最小限に抑えることにより、難切削材に対しても長寿命を有する切削工具や高い負荷がかかっても長寿命を呈する部材などのダイヤモンド膜被覆部材を提供する。【解決手段】  基材表面は、その断面曲線が、微小凹凸と、微小凹凸が連続して形成する第１のうねりと、第１のうねりが連続して形成する第２のうねりとから構成される形状とし、その表面にダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド膜被覆部材とする。第２のうねりは３５０μｍ以下のピッチで形成され、第１のうねりは高低差が０．３μｍ以上でピッチが５０μｍ以下で形成される。また、微小凹凸は高低差が０．０５μｍ以上の凹凸で形成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面の少なくとも被加工物に対して作用する部位にダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド膜被覆部材であって、
前記ダイヤモンド膜が被覆された部位の基材表面の断面曲線は、
微小凹凸と、
前記微小凹凸が連続して形成する第１のうねりと、
前記第１のうねりが連続して形成する第２のうねりと、
から構成されることを特徴とするダイヤモンド膜被覆部材。
【請求項２】
前記第２のうねりは３５０μｍ以下のピッチで形成され、前記第１のうねりは高低差が０．３μｍ以上でピッチが５０μｍ以下で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド膜被覆部材。
【請求項３】
前記微小凹凸は、高低差が０．０５μｍ以上の凹凸により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤモンド膜被覆部材。
【請求項４】
前記微小凹凸、第１のうねりおよび第２のうねりは研削痕により形成されたものであり、前記研削痕の方向は、使用時にダイヤモンド膜と基材との界面に生じる亀裂の進展方向に対し直角方向、あるいは前記直角方向から±３０°の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド膜被覆部材。
【請求項５】
前記ダイヤモンド膜被覆部材はタップであり、前記タップは、ネガ角のチャンファホーニングを施した不完全ねじ形状の食いつき部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンド膜被覆部材。
【請求項６】
前記タップはスパイラルタップである請求項５に記載のダイヤモンド膜被覆部材。
【請求項７】
前記基材は、炭化タングステンとコバルトを主成分とする超硬合金であって、被覆されたダイヤモンド膜の膜厚が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のダイヤモンド膜被覆部材。
【請求項８】
前記被加工物は、金属基複合材であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のダイヤモンド膜被覆部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ−ＳｉＣ合金などの金属基複合材、Ａｌ−Ｓｉ合金、カーボン、ＦＲＰなどの難切削材を加工するための切削工具や、使用時に高い負荷のかかる耐磨耗部材などに関するものであり、加工時に作用する部位にダイヤモンド膜が被覆された部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、難切削材の加工を行うために、超硬合金などの基材上にダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド膜被覆工具が用いられる。このようなダイヤモンド膜被覆工具で難切削材を加工すると、加工時の負荷や衝撃でダイヤモンド膜と基材との界面にそって亀裂が発生する。この亀裂の発生時期は加工条件や被削材の種類、ダイヤモンド膜の品質、基材の種類などにより差があり、発生した亀裂は加工を継続するに従い進展していく。特に、ダイヤモンド膜と基材との界面に生じた亀裂は、加工を継続すると引き裂かれるようにさらに拡がり、最終的にはダイヤモンド膜を剥離させてしまう。そしてこのようにダイヤモンド膜が剥離すると、工具の摩耗や損傷速度が極端に早まり、加工精度の悪化や工具の折損などを招くことになる。
【０００３】
ダイヤモンド膜の剥離の防止策として、ダイヤモンド膜を被覆する前に基材表面を粗くして表面積を大きくすることにより、接着面積を増加させ、基材への膜密着力を向上させるということが一般的に行われており、このようにすることで膜の剥離はある程度防止される。
【０００４】
基材に対するダイヤモンド膜の接着性を改良し、剥離を防止するものとして特許文献１に記載のものがある。特許文献１では、セラミック基基材の表面に表面粗さＲｚ２〜２０μｍの基凹凸面を有し、角部の表面粗さを角部以外の表面粗さの４０％以上とした基材や、さらに基凹凸面は、最表面を構成する結晶粒子の大きさ程度（０．５〜１０μｍ）の微小凹凸を基凹凸面に対し有して成る二重凹凸面構造を有する基材が記載され、この基材はダイヤモンド膜被覆用として適することが記載されている。そして、このような基材は表面にダイヤモンド膜などを形成した場合に、その膜が基材表面に強力に付着し剥離しにくいものとされている。
【特許文献１】特開平７−９７６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の基材のように表面を二重凹凸面構造にすることで、ダイヤモンド膜を基材表面へ強固に付着させることができる。これにより、加工時の負荷や衝撃によるダイヤモンド膜と基材との界面に沿って生じる亀裂の発生は、ある程度抑制できる。しかしながら、特許文献１に記載された発明では、一度亀裂が発生すると亀裂が進展してしまい、ダイヤモンド膜を剥離させることになる。これは、特許文献１に記載された構造は、ダイヤモンド膜が基材に強力に付着することを目的としており、亀裂が発生した場合の対策はなされていないためであると思われる。特に、難切削材を加工する場合には、ダイヤモンド膜と基材との界面において亀裂は必ずと言って良いほど発生するため、特許文献１に記載の発明を適用した部材を用いても、ダイヤモンド膜の剥離は避けられないという問題が起こりうる。
【０００６】
以上のことから、本発明はダイヤモンド膜と基材との界面に沿って生じる亀裂の進展を効果的に防止し、ダイヤモンド膜の剥離が発生した場合でもその領域を最小限に抑えることにより、難切削材に対しても長寿命を有する切削工具や高い負荷がかかっても長寿命を呈する部材などのダイヤモンド膜被覆部材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のダイヤモンド膜被覆部材の第１の特徴は、基材の表面の少なくとも被加工物に対して作用する部位にダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド膜被覆部材であって、前記ダイヤモンド膜が被覆された部位の基材表面の断面曲線は、微小凹凸と、前記微小凹凸が連続して形成する第１のうねりと、前記第１のうねりが連続して形成する第２のうねりと、から構成されることである。
【０００８】
ダイヤモンド膜被覆部材において、膜が剥離する領域の大きさは、加工の際にダイヤモンド膜と基材との界面に亀裂が生じ、その亀裂がどこまで進展するかによって決まる。そこで本発明では、基材の表面に微小凹凸と、微小凹凸が連続して形成する第１のうねりと、第１のうねりが連続して形成する第２のうねりとを形成し、亀裂の進展が最小限になるような構造とした。このような構造によれば、次のようなメカニズムで亀裂の進展が防止される。金属基複合材などの難切削材を加工すると、加工時にダイヤモンド膜と基材との界面に亀裂が発生し、さらに加工を継続すると、界面に引き裂き応力が加わり、亀裂は界面に沿ってさらに進展していく。従って、亀裂は消滅せずに引き裂き応力により継続的に進展していき、広範囲にわたりダイヤモンド膜の剥離が短時間に発生してしまう。しかし、本発明のような構造であれば、山と谷からなるうねりが存在し、そのうねりを構成する山はマクロ的に見て放物線に類似した形状であるので、亀裂の進展方向はうねりの山の途中で界面に沿った方向からダイヤモンド膜の表面に向かう方向へと変化する。これによって、最終的に亀裂はダイヤモンド膜表面に達して消滅する。しかも、本発明では、第１のうねりと第２のうねりが形成されているので、引き裂き応力が大きい場合には第２のうねりが作用して亀裂の進展方向をダイヤモンド膜表面の方向に変化させ、引き裂き応力が小さい場合には、第１のうねりが作用して亀裂の進展方向をダイヤモンド膜表面の方向に変化させる。さらに、微小凹凸が形成されているので、ダイヤモンド膜の付着力を向上させることができ、うねりにより亀裂の進展を防止する効果と相まって、ダイヤモンド膜の剥離を防止し、寿命の長いダイヤモンド膜被覆部材とすることができる。
【０００９】
第２の特徴は、前記第２のうねりは３５０μｍ以下のピッチで形成され、前記第１のうねりは高低差が０．３μｍ以上でピッチが５０μｍ以下で形成されていることである。このように特定された形状にすると、加工時に発生する大小の引き裂き応力による亀裂の進展方向を変化させることができ、ダイヤモンド膜の剥離を最小限にすることができる。
【００１０】
第３の特徴は、前記微小凹凸は、高低差が０．０５μｍ以上の凹凸により形成されていることである。このような大きさの凹凸にすることにより、ダイヤモンド膜の付着力を高く維持させることができ、前述の２つのうねりの作用効果と相まってダイヤモンド膜の剥離を防止することができる。
【００１１】
第４の特徴は、前記微小凹凸、第１のうねりおよび第２のうねりは研削痕により形成されたものであり、前記研削痕の方向は、使用時にダイヤモンド膜と基材との界面に生じる亀裂の進展方向に対し直角方向、あるいは前記直角方向から±３０°の範囲であることである。このように３種類の凹凸を研削により形成し、その方向を亀裂の進展方向に対して交差するように形成することで、亀裂の進展を抑制する効果は大きくなる。もし、亀裂の進展方向と研削痕の方向が平行であれば、研削痕に沿って亀裂が進展するため、亀裂の進展を抑制する効果があまり得られない。
【００１２】
第５の特徴は、前記ダイヤモンド膜被覆部材はタップであり、前記タップは、ネガ角のチャンファホーニングを施した不完全ねじ形状の食いつき部を設けたことである。
【００１３】
前述のような基材の表面に微小凹凸、第１のうねりおよび第２のうねりを有するダイヤモンド膜被覆部材として、タップに適用すると優れた効果を発揮できる。特に、金属基複合材のような軟質金属に硬質粒子を分散させた合金にネジ加工を行う切削工具に適している。このような用途では、ダイヤモンド膜が非常に剥離しやすく工具の寿命が短くなるが、本発明を適用した工具を用いることでダイヤモンド膜の剥離を効果的に防止できる。しかも、ネガ角のチャンファホーニングを形成することで、このホーニング面がチップブレーカーの役割を果たし、切り粉を分断するため、切れ刃部への溶着を低減することができる。これにより、切り粉が溶着したり脱離することが減少し、溶着や脱離する際に発生する引き裂き応力の発生も減少させることができるので、ダイヤモンド膜の剥離を大幅に減少させることが可能になる。また、切り粉の噛み込みによるダイヤモンド膜の剥離や工具の折損も防止される。なお、切り粉が噛み込みにくく、切削抵抗が高くなって基材が折損するのを防止するために、完全ねじ部は４ピッチ以上６ピッチ以下とし、食いつき部と完全ねじ部を円周方向において分割する複数の溝を設けることが望ましく、タップの強度を高くするために、完全ねじ部の後端側には、直径が（タップ径×０．７２）〜（タップ径×０．８３）の細径部を設けることが望ましい。このようにすれば、工具の寿命をより向上させることが可能になる。
【００１４】
第６の特徴は、前記タップはスパイラルタップであることである。スパイラル形状のタップとすることで、加工時に工具に作用するトルクを小さくでき、かつ溶着も減少させることができるので、ダイヤモンド膜と基材との界面に発生する亀裂の進展をより防止させることができる。これにより長時間安定して加工を行うことのできるタップとすることができる。このようなスパイラルタップの場合、チャンファホーニングの角度はネガ角である−１°〜−３５°とするのが好ましい。
【００１５】
第７の特徴は、前記基材は、炭化タングステンとコバルトを主成分とする超硬合金であって、被覆されたダイヤモンド膜の膜厚が１０μｍ以上であることである。超硬合金は経済的な面や加工性の面で基材として利用しやすい材料であるが、超硬合金はコバルトを含有することから、ダイヤモンド膜と超硬合金の界面で遊離炭素を生成しやすく、加工時に生じた亀裂が進展しやすくなる。ダイヤモンド膜の膜厚が１０μｍ以上の時には、ダイヤモンド膜と超硬合金の熱膨張係数の差により生じる残留応力によって膜密着力が不安定になり、この傾向が大きくなるが、本発明のような表面形状の基材を用いたものであれば、このような状況であっても亀裂の進展が抑えられ、安定した性能で長時間加工することができる。
【００１６】
第８の特徴は、前記被加工物は、金属基複合材であることである。金属基複合材は前述のように軟質金属に硬質粒子を分散させた合金であり、ダイヤモンド膜と基材との界面に亀裂が発生した場合、加工による大きな引き裂き応力と軟質金属が切れ刃部に溶着したり脱離することによる小さい引き裂き応力により亀裂が進展していく。しかし、本発明のダイヤモンド膜被覆部材の構造によれば、亀裂の発生を防止するとともに、亀裂が発生した場合でも、これら大小の引き裂き応力を、それぞれ第１のうねりと第２のうねりとが亀裂の進展を防止し、亀裂によるダイヤモンド膜の剥離を最小限に抑えることが可能になる。従って、金属基複合材のように、難切削材で溶着しやすい材料の加工には、本発明のダイヤモンド膜被覆部材を適用すると、本発明の作用効果が最大限に生かせる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のダイヤモンド膜被覆部材によれば、加工中に発生するダイヤモンド膜と基材表面との界面に沿って生じる亀裂の進展を効果的に止め、膜の剥離領域を最小限にすることができるので、難切削材に対しても長寿命を有する切削工具や高い負荷がかかっても長寿命を呈する部材などのダイヤモンド膜被覆部材として利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のダイヤモンド膜被覆部材の基材表面およびダイヤモンド膜の部分の模式図を図１に示す。ダイヤモンド膜被覆部材１は、炭化タングステンとコバルトを主成分とする超硬合金からなる基材３の表面にダイヤモンド膜２が化学的気相合成法により形成されている。ダイヤモンド膜２は少なくとも加工に作用する部位には形成されて、すくい面８と逃げ面９を有し、その交差部には切れ刃４が形成されている。基材３の表面は、相対的にピッチの大きい第２のうねり５が形成され、この第２のうねり５のピッチＡは３５０μｍ以下で形成されている。第２のうねり５上には相対的にピッチの小さい第１のうねり６が形成され、この第１のうねり６はピッチＢが５０μｍ以下で、かつうねりの高低差ｂが０．３μｍ以上で形成されている。さらに、第１のうねり６上には微小凹凸７が形成され、この微小凹凸７は高低差ｃが０．０５μｍ以上の凹凸で形成されている。これらの第２のうねり５、第１のうねり６および微小凹凸７は研削により生じる研削痕で形成されており、この研削痕の方向は、ダイヤモンド被覆部材を使用する時にダイヤモンド膜と基材との界面に生じる亀裂の進展する方向に対して交差する方向に形成される。この交差する角度は直角かあるいは直角方向から±３０°の範囲の角度になっている。
【実施例１】
【００１９】
本発明のダイヤモンド膜被覆部材の例として、ダイヤモンド膜被覆タップを使用して穴にタップ加工を行った時のダイヤモンド膜の剥離状況の試験を行った。図２はこのタップの側面図であり、図３は切れ刃１１の部分断面図である。なお、図３のｏはタップの回転中心を示している。炭化タングステンと５％のコバルトを含む超硬合金からなる材料を図２に示すような形状に加工した基材３を準備した。切れ刃１１は、不完全ねじ形状の食付き部１１ａと完全ねじ形状の完全ねじ部１１ｂからなり、食付き部１１ａは２山、完全ねじ部１１ｂは５山になっている。食付き部１１ａの部分の切れ刃には、図３に示すようにすくい面８と逃げ面９との交差部にチャンファホーニングを行い、すくい角αが負の１５°からなるチャンファ面１０を形成した。チャンファ面１０はダイヤモンド砥石を用いて研削加工を行い、図１に示すような第２のうねり５、第１のうねり６および微小凹凸７を形成した。タップの径はＭ４とし、うねりや凹凸のピッチおよび高低差は、ダイヤモンド砥石のドレッシング状態並びに研削加工時の送り速度を変えることにより制御した。なお、研削痕の方向については、切れ刃稜線に対して平行なものおよび垂直なものを製作した。これらのうねりや凹凸のピッチ、高低差および研削痕の方向を表１に示す。このような基材３の表面に熱フィラメントを使った気相合成法により厚さ約１０μｍのダイヤモンド膜を被覆した。比較のために、従来のダイヤモンド膜被覆部材として、チャンファ面１０が本発明の第２のうねり５に該当する山と谷のみのもの（比較例１）および本発明の第２のうねり５と第１のうねり６に該当する山と谷のみのもの（比較例２）を製作し、本発明のものと同様のダイヤモンド膜を被覆したタップを製作した。これらのタップを用い、比較試験を行った。被加工物はＡｌ−３０％ＳｉＣ合金を用い、予め形成しておいた穴に以下に示す加工条件でタップ加工を行い、チャンファ面のダイヤモンド膜の剥離状況の観察を行った。この試験の結果を表１の右端に示す。
【００２０】
【表１】
2006218557.tif 000003
【００２１】
加工条件
タップの回転数：Ｎ＝３１８ｍ−１
切削速度：Ｖ＝４ｍ／ｍｉｎ
送り速度：Ｆ＝２２６ｍｍ／ｍｉｎ
加工深さ：Ｄ＝８ｍｍ
【００２２】
以上の試験を行った結果、本発明のタップはいずれもチャンファ面の剥離が発生するまでに５００穴以上加工することができたが、比較例１のものでは１００穴、比較例２のものでは２００穴しか加工することができず、本発明のタップはダイヤモンド膜が剥離しにくいことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、Ａｌ−ＳｉＣ合金などの金属基複合材、Ａｌ−Ｓｉ合金、カーボン、ＦＲＰなどの難切削材を加工するための切削工具や、使用時に高い負荷のかかる耐磨耗部材などに好適であるが、これ以外の材料であっても使用することができ、ダイヤモンド膜が被覆された切削工具や耐磨耗部材などの各種部材に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の基材表面およびダイヤモンド膜の部分の状態を表す模式図。
【図２】実施例１のタップを表す側面図。
【図３】図２のタップの切れ刃部分の断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１    ダイヤモンド膜被覆部材
２    ダイヤモンド膜
３    基材
４    切れ刃稜線
５    第２のうねり
６    第１のうねり
７    微小凹凸
８    すくい面
９    逃げ面
１０  チャンファ面
１１  切れ刃
１１ａ  食付き部
１１ｂ  完全ねじ部
Ａ    第２のうねりのピッチ
Ｂ    第１のうねりのピッチ
Ｃ    微小凹凸のピッチ
ａ    第２のうねりの高低差
ｂ    第１のうねりの高低差
ｃ    微小凹凸の高低差
【図１】
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【図２】
2006218557.tif 000005
【図３】
2006218557.tif 000006